InAs/GaSbⅡ类超晶格长波红外探测器的表面处理研究

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格近年来得到迅速的发展，是最有前景的红外光电探测材料之一。随着探测器像元中心距不断减小，对于台面结器件，其侧壁漏电将占据主导地位，这对超晶格探测器的台面制备和钝化工艺都提出了很高的要求。

台面结红外探测器一般通过湿法腐蚀或干法刻蚀来实现像元间的隔离。在台面形成过程中，半导体晶体周期性结构的突然终止，会导致表面悬挂键的生成，并导致表面缺陷与表面能带弯曲，因此对于长波探测器，更容易表现出严重的侧壁漏电。近年来，为了抑制InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波探测器的侧壁漏电，获得高性能的长波红外探测器，国内外研究人员不断尝试各种表面处理和钝化方式。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所周易研究员的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外探测器的表面处理研究”为主题的文章。

该文章探索并研究了Ⅱ类超晶格长波探测器的表面处理工艺，通过对不同处理工艺形成台面器件的暗电流分析，发现N₂O等离子处理结合快速热退火（RTA）的优化工艺能够显著改善长波器件的电学性能。然后，通过不同面积阵列结构提取并分析了侧壁漏电分量，对于50%截止波长12.3μm的长波器件，在液氮温度、-0.05V偏置下，表面处理后暗电流密度从5.88×10^-1A/cm²降低至4.6×10^-2A/cm²，零偏下表面电阻率从17.7Ωcm提高至284.4Ωcm，有效降低侧壁漏电流。接着，利用侧壁栅控结构进行表面漏电机制的验证，验证了长波器件存在纯并联电阻及表面隧穿两种主要漏电机制。最后，对表面处理前后的暗电流进行拟合，处理后器件表面电荷浓度为3.72×10¹¹cm^-2。

器件表面处理实验过程

Ⅱ类超晶格长波红外探测材料采用分子束外延（MBE）技术生长获得。器件采用PBIBN结构以降低吸收区的电场强度，从而抑制体暗电流中产生的复合电流和隧穿电流。

材料外延完成后，制备了如表1的5个样品。为了研究和区分器件体暗电流与侧壁漏电，将1、2、3号样品制备为不同表面处理方式，不同面积器件阵列（VADA），其光敏元为直径200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm和500μm圆形台面。所有光敏元台面采用标准光刻技术和电感耦合等离子体干法刻蚀实现，在台面形成后，使用NaClO：H₂O=1：10溶液浸泡30s去除表面刻蚀损伤。之后，2号、3号样品采用了N₂O等离子体进行3min表面处理，3号样品再进行氮气氛围下250℃、1min的快速热退火处理。所有样品通过等离子体电感耦合化学气相沉积生长300nm厚Si₃N₄介质层作为探测器钝化层后，利用电子束蒸发设备沉积Ti/Pt/Au作为接触电极，如图1（a）所示。同时1号、3号样品还制备了台面直径400μm的栅控器件（GD），其主要区别是在侧壁钝化层上沉积了如图1（b）所示的栅电极（图中显示为浅黄色、标注为Gate区域），栅极金属的制备采用了优化侧壁覆盖的生长工艺，并引出测试电极。栅控器件的主要特点是可通过栅极电压控制侧壁表面势，进而研究侧壁与表面电荷相关的漏电信息。

图1 InAs/GaSb超晶格探测器结构示意图：（a）为常规结构器件；（b）为栅控结构器件。

器件性能表征

器件制备完成并通过杜瓦封装后，利用傅里叶变换红外光谱仪测试其液氮温度下的响应光谱特性，不同处理工艺下样品的响应光谱没有变化，50%截止波长为12.3μm。再利用Keythley 4200测试系统在液氮温度下测试其电流-电压特性。

图2（a），（b），（c）分别是1、2、3号样品中台面直径为200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm和500μm的器件在液氮温度下的暗电流密度-电压曲线。对于200μm直径器件，在-50mV小偏压下，3号样品的暗电流密度约为4.6×10^-2A/cm²，明显优于1号样品的5.88×10^-1A/cm²和2号样品的1.46×10^-1A/cm²。说明N₂O等离子体和快速热退火的混合工艺能够有效的降低器件暗电流。

图2 不同处理工艺样品、不同台面面积器件的暗电流密度-电压特性曲线：（a）1号无处理未退火；（b）2号N₂O处理未退火；（c）3号N₂O处理并退火；（d）1、2、3号样品直径200μm的光敏元。

通过R₀A与P/A的线性拟合，即可得到R₀A_bulk以及表面电阻率r_0surface（Ωcm）的大小，如图3所示。不同面积器件系列中均存在侧壁漏电流，图中的线性拟合斜率的倒数即为零偏时的r_0surface的大小。1号样品中的电学性能随光敏元尺寸变化最大，表面并联电阻率仅17.7Ωcm，对应着严重的侧壁漏电流存在，超过了长波探测器体暗电流大小；而经过优化工艺处理后的3号样品，其表面并联电阻率有了明显提升，约为284.4Ωcm，相较未进行表面处理的1号器件提升了约16.1倍。且对于3号样品，不同面积器件在小反偏下均表现出相当的（R₀A）^-1，说明了优化工艺对侧壁漏电有很显著的抑制效果，且具有很好的稳定性。

图3 变面积光敏元的(R₀A)^-1与P/A的关系。

随后，对1号、3号样品还制备了栅控结构器件1-GD、3-GD，栅控器件能够有效地拆分与表面势相关的侧壁漏电流，通过调节栅压，可以调节表面势，改变表面电荷数量。1-GD、3-GD器件在不同栅压下的IV曲线如图4所示，1号器件在不同栅压下暗电流未发生明显变化，说明该器件表面漏电不受栅压的影响，表现出纯并联电阻主导的特性。而3号器件在测试栅压从-10V变化至40V的过程中，暗电流在小反偏下几乎不变，但在大反偏下，暗电流密度逐渐降低，这说明大反偏隧穿电流由表面电荷引起。

图4 不同栅压下样品暗电流随电压的变化：（a）1号无处理未退火；（b）3号N₂O处理并退火。

栅控器件验证了，长波器件会存在与表面势无关的纯并联电阻，而优化工艺能够增加侧壁并联电阻率；另一方面，大偏压下的电流上升则是由表面电荷所导致的。

1号、3号样品的电流机制拟合结果，如图5所示。暗电流的拟合结果表明，表面并联电阻率r_surface与零偏时推导得到的表面电阻率r_0surface的数值相当，进一步说明零偏下，器件的表面漏电由表面并联电阻机制主导。结合N₂O等离子与快速热退火的混合处理工艺，将表面并联电阻率从17.9Ωcm提升至297.6Ωcm，提升了约16.6倍。而通过拟合BTB隧穿电流则可得到3号样品仍存在较高的表面有效载流子浓度N_eff=9.60×10¹⁶cm^-3，进而计算得到表面电荷浓度Q_s=3.72×10¹¹cm^-2。表面高浓度有效载流子增加了隧穿机制的发生几率，结合栅控结果表明，聚集的空穴使得表面局域有效载流子浓度变大，在大反偏压下，结区电场强度高，带间隧穿电流主导其表面漏电。

图5 0栅压下侧壁漏电流的数值拟合：（a）1号未处理未退火；（b）3号N₂O处理退火（主图纵坐标为对数坐标，左下角图纵坐标为线性坐标）。

结论

这篇文章研究了InAs/GaSb Ⅱ类超晶格光电探测器侧壁的表面性质，通过不同面积光敏元的电流-电压测试，拟合提取出侧壁的暗电流密度。并通过栅控结构器件的变栅压实验，验证了长波器件存在纯并联电阻及表面隧穿两种主要漏电机制。N₂O等离子处理可以消除部分表面悬挂键，结合N₂O等离子与快速热退火的混合处理工艺可以进一步降低器件的侧壁漏电流。对两个器件的侧壁漏电流进行拟合，结合工艺使表面并联电阻率从17.9Ωcm增加至297.6Ωcm，大大提高了器件的整体电学性能，但是器件在大反偏压下仍有较大的隧穿漏电，是由于存在一定浓度的表面电荷。

这项研究获得国家重点研发计划（2016YFB0402403）、国家自然科学基金（61974152，61904183，61534006，1505237，61505235）、中国科学院青年创新促进会会员（2016219）和上海市青年科技启明星项目（20QA141500）的支持。

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DOI: 10.11972/j.issn.1001-9014.2023.01.002